TUGAS AKHIR – TM 141585
STUDI PENGARUH PENGGANTIAN BAHAN
BAKAR DARI High Speed Diesel (HSD) KE
BAHAN BAKAR GAS TERHADAP PERFORMA
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP
(Studi Kasus PLTU Unit 2 100 MW PT.PJB UP
Gresik)
LANA IKA INDRIANI
NRP 2111340000082
DosenPembimbing
Dr.Ir. Atok Setiawan, M.Eng.Sc
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Surabaya 2018
FINAL PROJECT – TM 141585
PERFORMANCE EVALUATION OF HSD AND
GAS AS THE FUEL OF STEAM POWER PLANT
(Case Study of PLTU Unit 2)
LANA IKA INDRIANI
NRP 2111340000082
Supervisor
Dr.Ir. Atok Setiawan, M.Eng.Sc
Mechanical Engineering Department
Faculty of Industrial Technology
Sepuluh Nopember Institute of Technology
Surabaya 2018
i
BAKAR GAS TERHADAP PERFORMA
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP
(Studi Kasus PLTU Unit 2 100 MW PT.PJB UP Gresik)
Nama Mahasiswa : Lana Ika Indriani
NRP : 2113100082
Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITS
Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Atok Setiawan, M.Eng.Sc Abstrak
Jumlah kebutuhan listrik setiap tahun meningkat seiring dengan meningkatnya jumlah penduduk dan pertumbuhan ekonomi setiap tahunnya. Seiring dengan meningkatnya harga batubara dan minyak dunia yang semakin hari meningkat mengakibatkan pembengkakan biaya operasional dari PLTU tersebut. Dengan harga minyak yang semakin naik, maka dilakukan penggantian bahan bakar pada PLTU Unit 2 dengan menggunakan Bahan Bakar Gas (BBG). Berdasarkan indikasi dari orang pembangkit di lapangan bahwa kebutuhan udara dengan Bahan Bakar Gas lebih besar daripada High Speed Diesel. Hal ini memungkinkan adanya rating pada pembangkit tersebut. Oleh karena itu, pada penelitian ini bertujuan ingin membuktikan bahwa klaim orang pembangkit yang menyatakan bahwa kebutuhan udara Bahan Bakar Gas lebih besar daripada High Speed Diesel. Sehingga dapat dilakukan analisa mengenai kebutuhan udara pada masing-masing bahan bakar.
Pada studi ini dilakukan penggantian bahan bakar dari High Speed Diesel (HSD) ke Bahan Bakar Gas dan beban yang berbeda. Data perhitungan dalam penelitian ini didapat dari heat balance dan studi literatur dari beberapa tugas akhir terdahulu.
Hasil studi menyimpulkan, pada pembebanan 50%,75%, dan 100% telah terjadi penurunan rata-rata konsumsi bahan bakar, laju alir massa udara, heat rate sebesar 6,06%; 2,13%;
ii
Kata Kunci : kebutuhan udara, performance pembangkit, variasi bahan bakar
iii
(Case Study of PLTU Unit 2 100 MW PT.PJB UP
Gresik)
Student Name : Lana Ika Indriani
NRP : 2113100082
Major : Mechanical Engineering
Advisor : Dr .Ir. Atok Setiawan, M.Eng.Sc
Abstract
Increasing global price of petroleum, in addition to the growing demand of electrical energy, affects significantly on the operational cost of power plants. As an alternative, companies are starting to convert to cheaper and more efficient energy resources such as gas. In steam power plants, for example, gas can be used as a fuel to replace High Speed Diesel (HSD), a petroleum derivative, because it burns more air during combustion. As such, the steam power plants may be uprated or derated.
In order to carefully evaluate the impact of different fuels on steam power plants performance, the author deploys heat balance to examine the data from PLTU Unit 2 100 MW PT. PJB UP Gresik. Calculations are made for each fuel based on varying loads 50%, 75%, 100% to obtain mass flow rates of fuel and air, and heat rate values.
The results of the study conclude that 50%, 75%, and 100% loads have decreasing average fuel consumption, air mass flow rate, heat rate 6.06%; 2.13%; 0.88% and an increase in average power efficiency by 1.04%.
Keyword: air supply, different fuels, power plant performance
iv
v Assalamu’alaikum Wr.Wb.
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT, karena atas limpahan rahmat dan hiayah-Nya penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul “Studi Pengaruh Penggantian Bahan Bakar dari High Speed Diesel (HSD) ke Bahan Bakar Gas terhadap Performa Pembangkit Lisrik Tenaga Uap (Studi Kasus PLTU Unit 2 100 MW PT.PJB UP Gresik).
Dalam penyusunan Tugas Akhir ini penulis banyak mendapat saran, dorongan, bimbingan serta keterangan-keterangan dari berbagai pihak yang merupakan pengalaman yang tidak dapat diukur secara materi, namun dapat membukakan mata penulis bahwa sesungguhnya pengalaman dan pengetahuan tersebut adalah guru yang terbaik bagi penulis. Oleh karena itu dengan segala hormat dan kerendahan hati perkenankanlah penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Ayah dan ibu tercinta, Narso dan Saswati yang selalu mendukung, memberikan kasih sayang, dan tak henti-hentinya mendoakan penulis hingga terselesaikannya tugas akhir ini. Terimakasih ayah dan ibu atas segalanya. 2. Adik tercinta M. Bintang Rolanjanu dan Desti Zahroh
Fauziyah yang menjadi semangat penulis dalam menjalani studi. Terima kasih untuk segala hal yang telah diberikan kepada penulis terutama dalam hal moril dan spirituil.
3. Bapak Dr. Ir. Atok Setiawan.,M.Eng.Sc selaku dosen pembimbing yang telah meluangkan waktu, tenaga, pikiran, dan ilmu yang tak ternilai harganya. Dan segala motivasi untuk menyelesaikan tugas akhir ini. Saya akan berusaha selalu menjadi orang yang baik dan berguna untuk orang lain.
4. Bapak Ary Bachtiar Khrisna P.,ST.,MT.,Ph.D ; Bapak Dr. Bambang Sudarmanta, ST.,MT ; Bapak Prof. Dr. Ir.
vi
selama ini untuk kesempurnaan tugas akhir ini.
5. Seluruh dosen serta karyawan di Jurusan Teknik Mesin ITS yang telah memberikan banyak sekali bantuan selama penulis berkuliah, baik akademis maupun non akademis.
6. Seluruh keluarga M-56 yang telah menemani penulis dari mahasiswa baru hingga penulis dapat menyelesaikan perkuliahan. Untukmu angkatanku sahabat sejatiku. 7. Siti Qomariyah, Lisna Rohmawati, Jalu Setiya, Ari
Nugroho, Anisa Fauziah, dan Fadli Kurniawan yang selalu menyemangati dan mendoakan penulis.
8. Ramadhani Ayu, Ayzam S, Amalia Dwi Utami, Syafiatul Ummah, Fenny Febrina S, Mifta Riandini yang senantiasa memotivasi, menemani, dan meninggalkan banyak cerita bagi penulis selama diperkuliahan.
9. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebut satu persatu. Terima kasih banyak
Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penyusunan tugas akhir ini. Oleh karena itu, saran dan masukan dari semua pihak sangat penulis harapkan. Penulis berharap semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat dan bagi perkembangan ilmu pengetahuan dan masyarakat luas. Amin. Wassalamu’alaikum Wr.Wb.
Surabaya, Januari 2018
vii DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL TITLE PAGE HALAMAN PENGESAHAN ABSTRAK ... i ABSTRACT ... iii KATA PENGANTAR ... v
DAFTAR ISI ... vii
DAFTAR GAMBAR ... ix DAFTAR TABEL ... xi BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Rumusan Masalah ... 2 1.3 Batasan Masalah ... 3 1.4 Tujuan Penelitian ... 3 1.5 Manfaat Penelitian ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian umum PLTU ... 5
2.2 Komponen-komponen Pembangkit Listrik Tenaga Uap .. 6
2.2.1 Boiler ... 6
2.2.2 Steam Turbine ... 8
2.2.3 Kondensor... 8
2.2.4 Pompa ... 9
2.2.5 Feed Water Heater ... 9
2.2.6 Deaerator ... 10
2.3 Analisa Termodinamika ... 11
2.3.1 Siklus Rankine ... 11
2.3.2 Perhitungan Kerja dan Perpindahan Kalor... 12
2.3.3 Analisa Open Feed Water Heater ... 14
2.3.4 Analisa Closed Feed Water Heater ... 14
2.3.5 Perhitungan Fraksi Massa ... 15
2.3.6 Perhitungan Efisiensi Siklus ... 17
2.3.7 Perhitungan Laju Kalor (Heat Rate) ... 17
2.3.8 Metode Perhitungan ASME... 17
viii
2.5 Penelitian Terdahulu ... 22
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tahapan Penelitian ... 29
3.1.1 Identifikasi Masalah ... 29
3.1.2 Pengambilan Data ... 29
3.1.3 Perhitungan ... 30
3.1.4 Analisis Data ... 30
3.1.5 Tahap Pengambilan Kesimpulan ... 30
3.2 Analisa Perhitungan Performa Pembangkit Listrik Tenaga Uap ... 31
3.2.1 Flowchart Perhitungan ... 32
BAB IV ANALISIS DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Analisis Kandungan Bahan Bakar Gas ... 35
4.2 Data Analisis Bahan Bakar High Speed Diesel(HSD) ... 37
4.3 Analisis Termodinamika... 37
4.3.1 Perhitungan LHV dan AF bahan bakar ... 39
4.3.2 Analisa penambahan Excess Air pada bahan bakar ... 44
4.3.3 Menentukan Q Boiler ... 47
4.3.4 Menentukan Power Steam Turbine ... 47
4.3.5 Menentukan ṁbahan bakar ... 49
4.3.6 Menentukan udara ... 49
4.3.7 Menentukan heat rate ... 50
4.3.8 Menentukan effisiensi pembangkit ... 50
4.3.9 Menentukan efisiensi boiler Indirect Method ... 27
4.4 Analisis Grafik ... 57
4.4.1 Grafik Perbandingan ṁbahan bakar ... 57
4.4.2 Grafik Perbandingan ṁudara ... 59
4.4.3 Grafik Perbandingan Heat Rate ... 61
4.4.4 Grafik Perbandingan effisiensi pembangkit ... 63
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 67
5.2 Saran... 67
DAFTAR PUSTAKA ... 69
LAMPIRAN ... 70 BIODATA PENULIS
ix
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Uap ... 5
Gambar 2.2 Boiler ... 6
Gambar 2.3 Skema T-s Diagram Siklus Rankine ... 11
Gambar 2.4 Open Feedwater Heater ... 14
Gambar 2.5 Closed Feedwater Heater ... 14
Gambar 2.6 Siklus Regeneratif ... 16
Gambar 2.7 Skema Efisiensi Indirect Method Boiler ... 17
Gambar 2.8 Grafik perbandingan Massa Udara pada setiap Variasi ... 24
Gambar 2.9 Grafik perbandingan efisiensi boiler pada setiap Variasi ... 25
Gambar 2.10 Grafik kelebihan udara terhadap biaya eksternal untuk 150 MW boiler Thai Lignite ... 26
Gambar 4.1 Heat balance PLTU Unit 2 PT.PJB Gresik ... 38
Gambar 4.2 T-s Diagram PLTU Unit 2 PT. PJB Gresik... 39
Gambar 4.3 Grafik Perbandingan ṁbahan bakar pada setiap variasi ... 58
Gambar 4.4 Grafik Perbandingan ṁudara pada setiap variasi ... 60
Gambar 4.5 Grafik Perbandingan heat rate pada setiap variasi ... 62
Gambar 4.6 Grafik Perbandingan efisiensi pembangkit pada setiap variasi ... 64
x
xi
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1 Konsumsi Tenaga Listrik Per Kapita Data Per
Pelanggan ... 1
Tabel 1.2 Air Fuel Ratio bahan bakar ... 2
Tabel 2.1 Characteristics of Natural Gas, Oil and Coal ... 22
Tabel 4.1 Gas analysis report PT.PERTAMINA GAS AREA JAWA BAGIAN TIMUR (PERTAGAS AREA JBT) ... 35
Tabel 4.2 Gas analysis report SKK MIGAS – PT PERTAMINA HULU ENERGI WMO ... 36
Tabel 4.3 Gas analysis report HESS ( INDONESIA– PANGKAH ) LTD ... 36
Tabel 4.4 Fuel Specific Heat and Enthalpy ... 37
Tabel 4.5 Hasil Perhitungan Low Heating Value Pertamina WMO ... 40
Tabel 4.6 Hasil Perhitungan Low Heating Value Hess ... 40
Tabel 4.7 Hasil Perhitungan Low Heating Value Pertagas Area JBT ... 41
Tabel 4.8 Hasil Perhitungan Low Heating Value Gabungan... ... 41
Tabel 4.9 Fuel Analysis bahan bakar ... 51
Tabel 4.10 Data efisiensi direct method Oil ... 55
Tabel 4.11 Data efisiensi direct method Gas ... 56
Tabel 4.12 Data hasil perhitungan setiap variasi bahan bakar ... 57
xii
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Jumlah kebutuhan listrik setiap tahun meningkat seiring dengan meningkatnya jumlah penduduk dan pertumbuhan ekonomi setiap tahunnya. Berdasarkan data statistik Ketenagalistrikan oleh Direktorat Jenderal Ketenagalistrikan Kementerian ESDM konsumsi tenaga listrik mencapai peningkatan sebesar 16000 MWh.
Tabel 1.1 Konsumsi Tenaga Listrik Per Kapita Dan Per Pelanggan
(sumber: Direktorat Jenderal Ketenagalistrikan Kementerian ESDM)
Sebagian besar pembangkit listrik menggunakan bahan bakar batubara atau minyak. Seiring dengan meningkatnya harga batubara dan minyak dunia yang semakin hari meningkat mengakibatkan pembengkakan biaya operasional dari PLTU tersebut. High Speed Diesel (HSD) selama ini digunakan pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap unit 2 100 MW PT Pembangkitan Jawa Bali UP Gresik. Dengan harga minyak yang semakin naik, maka dilakukan penggantian bahan bakar pada PLTU Unit 2 dengan menggunakan Bahan Bakar Gas (BBG).
Setiap penggantian bahan bakar pada pembangkit akan membawa konsekuensi. Mula-mula pada saat menggunakan bahan bakar HSD daya yang dihasilkan pembangkit dapat mencapai 100 MW, akan tetapi setelah dilakukan penggantian bahan bakar hanya mampu membangkitkan daya 80-90 MW. Berdasarkan indikasi dari orang pembangkit di lapangan bahwa kebutuhan udara dengan Bahan Bakar Gas lebih besar daripada High Speed Diesel. Hal ini memungkinkan adanya rating pada pembangkit tersebut. Sehingga kebutuhan udara yang disuplai pada saat pembakaran maksimum atau sudah tidak bisa ditambah lagi.
Tabel 1.2 Air Fuel Ratio bahan bakar
Fuel By mass
High Speed Diesel (HSD) 14,33
Bahan Bakar Gas 16,14
Pada pembakaran bahan bakar di boiler perlu diperhatikan Air Fuel Ratio. Air Fuel Ratio akan berpengaruh pada laju aliran udara dari bahan bakar. Oleh karena itu, pada penelitian ini bertujuan ingin membuktikan bahwa klaim orang pembangkit yang menyatakan bahwa kebutuhan udara Bahan Bakar Gas lebih besar daripada High Speed Diesel. Sehingga dapat dilakukan analisa mengenai kebutuhan udara pada masing-masing bahan bakar.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang terjadi, indikasi dari orang pembangkit di lapangan bahwa kebutuhan udara dengan Bahan Bakar Gas lebih besar daripada High Speed Diesel. Hal ini memungkinkan adanya derating pada pembangkit tersebut. Sehingga kebutuhan udara yang disuplai pada saat pembakaran sudah maksimum atau sudah tidak bisa ditambah lagi. Penelitian ini dilakukan dengan menganalisa kebutuhan udara dengan penggantian bahan bakar dari High Speed Diesel (HSD) ke Bahan
Bakar Gas dengan Air Fuel Ratio yang berbeda untuk membuktikan klaim dari orang pembangkit tersebut. Pada tugas akhir ini, dilakukan perhitungan dan perbandingan kebutuhan udara pada Bahan Bakar High Speed Diesel dan Bahan Bakar Gas, analisa perbandingan performance dari PLTU dengan menggunakan Bahan Bakar High Speed Diesel dan Bahan Bakar Gas dilakukan dengan analisa termodinamika.
1.3 Batasan Masalah
Beberapa batasan masalah dan asumsi yang ada dalam penelitian ini yaitu:
1. Analisa berdasarkan heat balance PLTU Unit 2 PT. PJB UP. Gresik.
2. Kondisi operasi adalah tunak.
3. Efek energi kinetik dan potensial diabaikan. 4. Heat Loss pada sistem maupun pipe line diabaikan.
5. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan analisa termodinamika dan ASME PTC 4.1.
1.4 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan penelitian dalam tugas akhir ini adalah: 1. Menghitung dan membandingkan kebutuhan udara pada saat
menggunakan Bahan Bakar dari High Speed Diesel ke Bahan Bakar Gas.
2. Mengetahui kelebihan pasokan udara dari penggantian bahan bakar High Speed Diesel ke Bahan Bakar Gas.
3. Menghitung dan membandingkan perfomance PLTU pada saat menggunakan Bahan Bakar High Speed Diesel dan Bahan Bakar Gas.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat yang didapat dari penelitian ini adalah:
1. Dapat menghitung dan membandingkan kebutuhan udara pada saat menggunakan Bahan Bakar dari High Speed Diesel ke Bahan Bakar Gas.
2. Dapat mengetahui kelebihan pasokan udara dari penggantian Bahan Bakar High Speed Diesel ke Bahan Bakar Gas.
3. Dapat Menghitung dan membandingkan performa PLTU pada saat menggunakan Bahan Bakar High Speed Diesel dan Bahan Bakar Gas.
5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian umum PLTU
Gambar 2.1 Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Uap Salah satu aplikasi dari rankine cycle adalah Pembangkit Listrik Tenaga Uap. Sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Uap terdiri dari beberapa komponen,yaitu boiler, turbin, kondesor, dan pompa. Fungsi boiler adalah mengubah energi kimia menjadi energi panas flue gas yang kemudian memanaskan air didalam pipa-pipa yang berada di dinding boiler. Fungsi dari turbin uap adalah untuk mengubah energi panas yang terkandung dalam uap menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran. Fungsi dari kondensor adalah memindahkan kalor dari uap ke pendingin yang mengalir dalma aliran yang terpisah hingga uap terkondensasi dan temeperatur air air pendingin meningkat. Fungsi pompa adalah mengalirkan kondensat cair (air) yang meninggalkan kondenser ke dalam boiler yang bertekanan lebih tinggi. PLTU menggunakan fluida kerja yang bersirkulasi secara
berulang-ulang. Siklus kerja PLTU yaitu air diisikan ke boiler hingga mengisi penuh seluruh luas permukaan pemindah panas. Di dalam boiler, air dipanaskan dengan gas panas hasil pembakaran bahan bakar dengan udara sehingga berubah menjadi uap. Uap hasil produksi boiler diarahkan untuk memutar turbin sehingga menghasilkan energi mekanik berupa putaran. Generator yang dikopel dengan turbin berputar menghasilkan energi listrik sebagai hasil dari perputaran medan magnet dalam kumparan. Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan di dalam kondensor kemudian hasil kondensasi uap digunakan lagi sebagai air pengisi boiler. Gas buang hasil pembakaran bahan bakar digunakan kembali untuk memanaskan udara sebelum dibuang ke atmosfer melalui stack.
2.2
Komponen-komponen Pembangkit Listrik Tenaga
Uap(PLTU)
2.2.1 Boiler
Gambar 2.2 Boiler
Boiler merupakan salah satu peralatan yang berfungsi mengubah air menjadi steam yang biasanya terdapat pada suatu
perangkat pembangkit. Boiler mempunyai susunan komponen-komponen yaitu furnace, steam drum, superheater, reheater, air heater dan economizer. Didalam boiler terdapat pipa-pipa yang dialiri air yang pada bagian dasar terdapat furnace sehingga menghasilkan panas. Panas inilah yang digunakan untuk memasak air mengalir didalam pipa-pipa tersebut. Steam yang dihasilkan boiler adalah dalam keadaan superheat dengan tekanan dan temperatur tinggi. Selanjutnya steam ini akan menggerakkan sudu-sudu steamturbine.
Energi kalor yang dibangkitkan dalam sistem boiler memiliki nilai tekanan, temperatur, dan laju aliran yang menentukan pemanfaatan steam yang digunakan. Komponen-komponen dari boiler ditunjukkan sebagai berikut:
Furnace : Komponen ini merupakan tempat pembakaran bahan bakar. Beberapa bagian dari furnace diantaranya burner, windbox, dan exhaust for flue gas. Steam Drum : Komponen ini merupakan tempat
penampungan air panas dan steam yang telah dibangkitkan. Steam masih bersifat jenuh (saturated steam).
Superheater : Superheater merupakan kumpulan pipa boiler yang terletak dijalan aliran gas panas hasil pembakaran. Panas dari gas ini dipindahkan ke saturated steam yang ada dalam pipa superheater, sehingga berubah menjadi superheated steam.
Air Heater : Komponen ini merupakan ruang pemanas yang digunakan untuk memanaskan udara luar yang diserap untuk meminimalisasi udara yang lembab yang akan masuk windbox selanjutnya digunakan untuk pembakaran. Udara luar ini dipanaskan dengan sisa hasil panas (flue gas) yang dihasilkan pembakaran di furnace. Economizer : Komponen ini merupakan ruang
pemanas yang digunakan untuk memanaskan air dan air yang terkondensasi dari sistem sebelumnya, maupun air umpan baru.
2.2.2 Steam Turbine
Turbin uap merupakan suatu penggerak mula yang merubah energi potensial uap menjadi energi kinetik dan selanjutnya menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin, langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi, dihubungkan dengan mekanisme yang akan digerakkan. Tergantung pada jenis mekanisme yang digunakan, turbin uap dapat digunakan pada berbagai bidang seperti pada bidang industri, untuk pembangkit listrik dan pada bidang transportasi. Pada proses perubahan energi potensial menjadi energi mekanisnya yaitu dalam bentuk putaran poros dilakukan dengan berbagai cara.
Pada dasarnya turbin terdiri dari dua bagian utama, yaitu stator dan rotor yang merupakan komponen utama pada turbin kemudian ditambah komponen lainnya yang meliputi pendukungnya, seperti bantalan, kopling dan sistem bantu lainnya agar kerja turbin dapat leih baik. Sebuah turbin uap memanfaatkan energi kinetik air yang bertambah akibat penambahan energi termal.
Turbin utamanya berfungsi untuk mengubah energi panas yang terkandung dalam uap menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran. Uap dengan tekanan dan temperatur yang tinggi mengalir melalui nozzle sehingga kecepatannya naik dan mengarah dengan tepat untuk mendorog sudu-sudu turbin yang dipasang pada poros. Akibatnya poros turbin yang bergerak menghasilkan putaran (energi mekanik). Selanjutnya, putaran turbin akan memutar generator yang nantinya akan menghasilkan listrik.
2.2.3 Kondensor
Kondensor adalah alat untuk mengubah uap yang digunakan untuk memutar turbin menjadi air dengan sistem kondensasi. Hasil dari kondensasi ditampung dalam hotwell kemudian dipompa ke boiler melalui feedwater heater.
2.2.4 Pompa
Pompa merupakan peralatan untuk mengalirkan air dari tekanan rendah ke tekanan tinggi. Pompa pada pembangkit tenaga uap terdiri dari beragam jenis dan fungsi, salah satunya adalah boiler feed pump. Boiler feed pump menjadi bagian tidak terpisahkan dari sebuah pembangkit tenaga uap, dimana pompa ini memiliki fungsi untuk mensuplai air dalam proses pembakaran di dalam boiler. Air yang dimaksud merupakan hasil penyubliman uap keluaran dari kondensor, untuk mengalirkan air dalam kondisi uap dibutuhkan energi yang lebih besar dibandingkan dalam kondisi cair.
Pompa yang banyak di gunakan di PLTU adalah :
Condensate pump adalah sebuah pompa yang berfungsi untuk memompa air pengisi dari hot well (penampung air kondensor) ke deaerator.
Boiler feed pump adalah pompa bertekanan tinggi yang berfungsi untuk memompa air dari deaerator ke boiler. 2.2.5 Feedwater Heater
Feedwater heater merupakan suatu peralatan yang digunakan pada siklus pembangkit uap regenerative. Dengan adanya feedwater heater ini, diharapkan ada dua hal yang bisa diraih, yaitu yang pertama untuk meningkatkan temperatur air dari feedwater yang mana akan meningkatkan efisiensi keseluruhan. Kedua, yaitu untuk meminimalkan efek termal pada boiler. Prinsip kerja dari feedwater heater yaitu dengan memanaskan lagi air keluaran kondensor dengan menggunakan ceratan uap dari turbin dan pada instalasi tertentu ditambahkan juga drain dari feedwater heater lainnya. Umumnya, feedwater heater menggunakan gabungan beberapa pemanas dengan tekanan tertentu sesuai dengan tekanan yang dicerat dari turbin. Jumlah dan tipe dari feedwater heater sangat tergantung dari siklus uapnya dan tekanan operasi dari siklusnya.
Pada umumnya, plant yang kecil hanya memiliki sedikit unit dari feedwater heater. Sedangkan pada pabrik industri besar
atau pada pembangkit listrik yang besar, lima sampai tujuh feedwater heater merupakan bagian dari desain pabrik atau pembangkit tersebut. Feedwater heater dapat diklasifikasikan baik sebagai tipe closed dan open maupun yang dirancang untuk beroperasi pada tekanan rendah atau tinggi.
Closed feedwater heater merupakan heat exchanger tipe shell and tube. Uap yang dicerat dari turbin akan dikondensasikan pada sisi shell sementara feedwater (air pengumpan) akan masuk memlalui sisi tube dan menyerap panas dari uap tadi sehingga akan meningkatkan temperaturnya. Kebanyakan dari feedwater heater memiliki bundle yang terdiri dari tube-tube dalam jumlah besar yang dibengkokkan dalam bentuk U sehingga design seperti ini disebut U-tube heat exchanger atau U-tube feedwater heater. Tube-tube tersebut dapat di-expand atau dilas ke tube sheet pada salah satu akhir dari shell. Sejumlah baffle dan piringan pendukung tube digunakan untuk mengarahkan aliran, meminimalkan vibrasi tube, mengurangi erosi, dan menaikkan perpindahan panas. Untuk feedwater heater yang memiliki biaya terendah biasanya memiliki bentuk yang panjang, horizontal, dan didesain untuk dua laluan dengan kecepatan air yang tinggi. 2.2.6 Deaerator
Deaerator adalah alat yang berfungsi untuk menghilangkan kandungan oksigen atau gas-gas terlarut lainnya pada air umpan sebelum masuk ke boiler. Deaerator bekerja berdasarkan sifat oksigen yang kelarutannya pada air akan berkurang dengan adanya kenaikan suhu. Deaerator terdiri dari dua drum, drum yang lebih kecil merupakan tempat pemanasan pendahuluan dan pembuangan gas-gas dari air umpan, sedangkan drum yang lebih besar merupakan tempat penampungan air umpan sebelum masuk ke boiler.
Pada drum kecil terdapat spray nozzle yang berfungsi untuk menyemprotkan air umpan menjadi butiran-butiran air halus agar proses pemanasan dan pembuangan gas-gas lebih sempurna, dan
gas-gas yang tidak terkondensasi dibuang ke atmosfer melalui salular vent pada drum kecil.
Oksigen dan gas-gas terlarut dalam air umpan perlu dihilangkan, karena dapat menyebabkan senyawa oksida yang menyebabkan karat pada pipa dan peralatan pembangkit yang terbuat dari logam. Air jika bereaksi dengan karbon dioksida terlarut dapat menyebabkan korosi lebih lanjut.
2.3 Analisa Termodinamika 2.3.1 Siklus Rankine
Siklus Rankine adalah aliran uap ke turbin dimana sebagian dari energi diubah ke energi mekanik yang ditransmisikan oleh poros yang menggerakkan generator listrik. Suatu pengurangan energi dari aliran uap yang keluar dari turbin lalu mengalami kondensasi menjadi air didalam kondenser. Adanya kehilangan panas setelah memasuki kondenser karena adanya pemisah antara air dingin yang berputar di dalam kondenser yang air dingin tersebut berasal dari air laut atau juga udara atmosfer.
Gambar 2.3 Skema dan T-s Diagram Siklus Rankine Siklus rankine terdapat 4 proses prinsip kerja, setiap proses mengubah keadaan air (tekanan dan atau wujud), yaitu :
Terjadinya proses ekspansi dari fluida kerja melalui turbin dari uap superheat pada kondisi 1 hingga mencapai tekanan kondensor.
Proses 2 – 3 :
Perpindahan kalor dari fluida kerja ketika mengalir pada tekanan konstan melalui kondensor menjadi cairan jenuh pada kondisi 3.
Proses 3 – 4 :
Terjadinya proses kompresi dalam pompa menuju kondisi 4 dalam daerah cairan hasil kompresi.
Proses 4 – 1 :
Perpindahan kalor ke fluida kerja ketika mengalir pada tekanan konstan melalui boiler, untuk menyelesaikan siklus. 2.3.2 Perhitungan Kerja dan Perpindahan Kalor
Untuk mengevaluasi siklus rankine seperti yang ditunjukkan gambar 2.3 diatas, perpindahan kalor yang terjadi antara komponen pembangkit dengan sekelilingnya diabaikan untuk memudahkan analisis. Perubahan energi kinetik dan potensial juga diabaikan. Setiap komponen dianggap beroperasi pada kondisi tunak. Dengan menggunakan prinsip kekekalan massa dan energi, kita dapat mengembangkan persamaan untuk perpindahan energi dari titik-titik kondisi seperti yang telah ditunjukkan dalam gambar 2.3.
Dalam kasus ini boiler pada kondisi pertama, yang berada pada temperatur dan tekanan yang sudah dinaikkan, berekspansi melalui turbin untuk menghasilkan kerja dan kemudian dibuang ke kondensor pada kondisi kedua dengan tekanan yang relatif rendah. Dengan mengabaikan perpindahan kalor dengan sekelilingnya, kesetimbangan laju energi dan massa untuk volume atur di sekitar turbin pada kondisi tunak menjadi:
̇ ̇ ̇ * +...(2.1) atau ̇
Kondenser
Dalam kondensor terjadi perpindahan kalor dari uap ke air pendingin yang mengalir dalam aliran yang terpisah. Uap terkondensasi dan temperatur air pendingin meningkat. Pada kondisi tunak, kesetimbangan laju massa dan energi untuk volume atur yang melingkupi bagian kondensasi dari penukar kalor adalah:
̇
̇ ...(2.3)
Pompa
Kondensat cair yang meninggalkan kondensor di kondisi ketiga dipompa dari kondensor kedalam boiler yang bertekanan lebih tinggi. Dengan menggunakan volume atur di sekitar pompa dan mengasumsikan tidak ada perpindahan kalor dengan sekitarnya, kesetimbangan laju massa dan energi adalah:
̇
̇ ...(2.4) Boiler
Air menyelesaikan siklus ketika cairan yang meninggalkan pompa pada kondisi keempat dipanaskan sampai jenuh dan diuapkan didalam boiler. Dengan menggunakan volume atur yang melingkupi tabung boiler dan drum yang mengalirkan air pengisian dari kondisi keempat ke kondisi pertama, kesetimbangan laju massa dan energi menghasilkan:
̇
̇ ...(2.5) Efisiensi Termal
Efisiensi termal mengukur seberapa banyak energi yang masuk ke dalam air melalui boiler yang dikonversi menjadi keluaran kerja. Efisiensi termal dari siklus diatas adalah:
2.3.3 Analisa Open Feedwater Heater
Gambar 2.4 Open Feedwater Heater
Pada heat exchanger jenis ini aliran yang berbeda temperatur akan bercampur secara langsung tanpa adanya penyekat. Fraksi y dapat dihitung dengan menerapkan prinsip-prinsip konservasi massa dan konservasi energi pada volume atur di sekeliling pemanas air-pengisian. Jika tidak terjadi perpindahan kalor antara pemanas air-pengisian dan lingkungan sekitarnya serta efek energi kinetik dan potensial dapat diabaikan, kesetimbangan laju massa dan energi pada kondisi steady akan menghasilkan:
) ...(2.7)
) ...(2.8) 2.3.4 Analisa Closed Feedwater Heater
Closed feedwater heater merupakan heat exchanger tipe shell and tube. Uap yang diekstraksi dari turbin akan dikondensasikan pada sisi shell sementara feedwater (air pengumpan) akan masuk memlalui sisi tube dan menyerap panas dari uap tadi sehingga akan meningkatkan temperaturnya.
Fraksi dari aliran total yang diekstraksi y dapat dihitung dengan menerapkan prinsip-prinsip konservasi massa dan konservasi energi pada volume atur di sekeliling pemanas tertutup. Dengan mengasumsikan tidak terjadi perpindahan kalor antara pemanas air pengisian dan lingkungan sekelilingnya dan mengabaikan efek energi kinetik dan potensial, kesetimbangan laju massa dan energi pada kondisi steady state dapat disederhanakan menjadi:
( ) )...(2.9) atau
( )...(2.10) 2.3.5 Perhitungan Fraksi Massa
Perhitungan fraksi massa digunakan untuk mengetahui laju aliran yang melalui di setiap masing-masing komponen pembangkit. Fraksi massa biasa sering digunakan pada siklus generatif .Gambar 2.10 langkah awal yang penting dalam menganalisis siklus uap regeneratif adalah evaluasi terhadap laju aliran massa yang melalui setiap komponen. Dengan menggunakan satu volume atur yang melingkupi kedua tingkat turbin, kesetimbangan laju massa pada kondisi tunak adalah:
Gambar 2.6 Siklus Regeneratif
Dimana ṁ1 adalah laju massa yang masuk ke dalam turbin tingkat pertama pada kondisi 1, ṁ2 adalah laju massa yang diekstrak dan keluar pada kondisi 2, dan ṁ3 adalah laju massa yang keluar dari turbin tingkat kedua pada kondisi 3, jika dibagi dengan ṁ1, maka akan diperoleh nilai berdasarkan unit massa yang melewati turbin tingkat pertama,yaitu:
̇ ̇
̇
̇ ...(2.12) Jika fraksi dari aliran total yang diekstrasi pada kondisi 2 diwakili oleh variabel y (y=ṁ2/ṁ1), fraksi dari aliran total yang melewati turbin tingkat kedua adalah:
̇
2.3.6 Perhitungan Efisiensi Siklus
Efisiensi siklus rankine mengukur seberapa banyak energi yang masuk ke dalam air melalui boiler yang dikonversi menjadi keluaran kerja netto. Efisiensi siklus rankine dijelaskan dalam bentuk rumus sebagai berikut:
̇ ̇ ⁄ ̇⁄ ̇ ̇ ̇ ⁄ ...(2.14) 2.3.7 Perhitungan Laju kalor (Heat Rate)
Laju kalor (heat rate) adalah jumlah energi yang ditambahkan melalui perpindahan kalor ke dalam siklus, biasanya dalam Kcal, untuk menghasilkan satu unit keluaran kerja netto, biasanya dalam kW-h. Oleh karena itu, laju kalor berbanding terbalik dengan efisiensi termal, memiliki satuan Kcal/kW-h.
)
)...(2.15) 2.3.8 Metode Perhitungan ASME
Gambar 2.7 Skema Effisiensi Indirect Method Boiler Perhitungan efisiensi boiler pada penelitian ini berdasarkan American Society of Mechanical Engineers (ASME) PTC 4.1. Metode yang dapat digunakan untuk menghitung efisiensi boiler
yaitu metode langsung (Direct Method) dan metode tidak langsung (Indirect Method). Perhitungan efisiensi boiler ini nantinya digunakan untuk menghitung nilai efisiensi boiler.
Metode perhitungan langsung adalah perhitungan efisiensi dengan membandingkan nilai output dengan input. Energi yang didapat dari fluida kerja (air dan steam) dibandingkan dengan energi yang terkandung dalam bahan bakar boiler. Keuntungan metode langsung antara lain pekerja pabrik dapat dengan cepat mengevaluasi efisiensi boiler, memerlukan sedikit parameter untuk perhitungan, dan memerlukan sedikit instrumen untuk pemantauan.
Kerugian metode langsung adalah tidak memberikan petunjuk kepada operator tentang penyebab dari efisiensi sistem yang lebih rendah dan tidak menghitung berbagai kehilangan yang berpengaruh pada berbagai tingkat efisiensi.
Effisiensi boiler metode langsung dapat dirumuskan sebagai berikut: ) ...(2.16) ) ̇ ) ̇ ...(2.17) dimana:
̇ = laju uap yang dihasilkan (kg/jam)
̇ = laju bahan bakar yang diumpankan (kg/jam)
= nilai kalor bawah bahan bakar (kcal/kg) = Entalphi uap (kcal/kg)
= Entalphi air pengisi (kcal/kg)
Metode tidak langsung juga dikenal dengan mengurangkan bagian kehilangan panas dari 100 sebagai berikut:
Effisiensi boiler ( ) = 100-(L1+L2+L3+L4+L5+L6)(%)
Dimana kehilangan yang terjadi dalam boiler adalah kehilangan panas yang diakibatkan oleh:
Heat loss in dry flue gas(%), Heat loss due to evaporation of water due to H2 in fuel(%), Heat loss due to moisture in
CO(%), Radiation loss(%), Heat loss due to unburnt in Fly ash(%), Heat loss due to unburnt in Bottom ash(%).
a) Ultimate Analisis
Melakukan analisa terhadap kandungan bahan bakar yang digunakan Carbon, Hidrogen, Oksigen, Nitrogen, Sulfur, H2O, (dalam satuan % Volume ) dan HHV bahan bakar.
b) Flue gas analisis
Melakukan analisa terhadap kandungan gas dari hasil pembakaran, seperti flue gas temperatur, ambient temperatur (°C), CO2% dan O2% dalam flue gas (% Volume)
Menghitung dry Flue Gas
1. Udara teoritis yang dibutuhkan (Theoritical air required)
Dirumuskan:
) , ( )- )
...(2.18) Dalam kg/kg bahan bakar
Carbon (C), Hidrogen (H2), Oksigen (O2) dan Sulfur (S) dari % volume in flue gas
2. Kelebihan udara yang tersedia (Excess Air supplied, EA)
Dirumuskan:
(O2 x 100) / (21 – O2)...(2.19) Dalam (%) Oksigen (O2) % volume in flue gas
3. Massa actual udara yang tersedia (Actual of air supplied, AAS)
Dirumuskan:
{1 + EA/100} x theoritical air...(2.20) dalam kg/kg bahan bakar
4. Massa gas buang kering (Mass of dry gas) ) )
...(2.21) dalam kg/kg bahan bakar
dimana C, H2, O2, S adalah perssentase karbon, hidrogen, oksigen dan sulfur pada bahan bakar {(massa hasil pembakaran kering/kg bahan bakar) + (massa N2 dalam bahan bakar pada basis 1 kg) + (massa N2 dalam massa udara pasokan yang sebenarnya)}
1) % Heat Loss in dry flue gas (L1)
{m x Cp x (Tf – Ta)} x 100/HHV...(2.22) Keterangan:
m : massa gas buang kering dalam kg/kg bahan bakar Cp : Panas jenis gas buang (0,23 kkal/kg)
Tf : Temperatur gas buang (°C) Ta : Temperatur Ambient (°C)
HHV : High Heating Value Oil or Gas (Kcal/kg) 2) % Heat Loss H2 (L2)
9 x H2 x { 584 + Cp(Tf-Ta)} x 100/HHV...(2.23) Keterangan:
H2 : H2 % in flue gas by volume Cp : Panas jenis bahan bakar (kkal/kg) Tf : Temperatur gas buang (°C) Ta : Temperatur Ambient (°C)
HHV : High Heating Value Oil or Gas (Kcal/kg) 3) % Heat Loss Moisture in fuel (L3)
M { 584 + cp(Tf-Ta)} x 100/HHV...(2.24)
Keterangan:
M : %Moisture in Fuel
cp : Panas jenis bahan bakar (kkal/kg) 4) % Heat Loss Moisture in Air (L4)
{AAS x Humidity x cp(Tf-Ta)} x 100/HHV...(2.25) Keterangan:
AAS : Actual mass of air supplied (kg/kg of fuel) Humidity : Kelembapan Udara (kg/kg of dry air) cp : Panas jenis udara (kkal/kg)
5) % Heat Loss due to Radiation and Convection (L6) x = 0,548 x [ Ts/ 55,55) 4 – (Ta/55,55) 4 ] + 1,957 x (Ts-Ta) 1,25 ) ...(2.26) Keterangan:
Ts : Temperatur permukaan Boiler (°C) Ta : Temperatur Ambient (°C)
Vm : Kecepatan udara (m/s)
2.4 Kebutuhan udara proses pembakaran
Rasio udara-bahan bakar (air fuel ratio) adalah rasio jumlah udara di dalam reaksi pembakaran terhadap jumlah bahan bakar. Air fuel ratio dapat dituliskan dengan basis molar (mol udara dibagi dengan mol bahan bakar) atau dengan basis massa (massa udara dibagi dengan massa bahan bakar). Konversi diantara kedua nilai ini dilakukan dengan menggunakan berat molekuler dari udara (Mudara) dan bahan bakar (Mbahan bakar).
= = ) AF = ( )...(2.27) Dengan adalah rasio udara bahan bakar dengan basis molar, dan AF adalah rasio udara bahan bakar dengan basis massa.
Jumlah minimum udara yang memberikan oksigen cukup untuk pembakaran tuntas terhadap semua karbon, hidrogen, dan sulfur yang terkandung di dalam bahan bakar disebut jumlah udara teoritik. Untuk pembakaran tuntas dengan jumlah udara teoritik, produk yang dihasilkan terdiri dari karbondioksida, sulfur dioksida, nitrogen yang menyertai oksigen di dalam air, dan setiap nitrogen yang terkandung di dalam bahan bakar. Oksigen bebas tidak akan muncul sebagai salah satu produk pembakaran apabila suplai udara tepat sesuai kebutuhan udara teoritik.
Jumlah udara yang disuplai biasanya lebih besar atau lebih kecil. Jumlah udara aktual yang disuplai biasanya dinyatakan
dalam bentuk persentase udara teoritik, misalnya udara teoritik 150% berarti udara aktual yang disuplai adalah 1,5 kali jumlah udara teoritik. Jumlah udara suplai dapat dinyatakan sebagai percent excess atau percent deficiency udara. Oksigen bebas akan muncul pada pembakaran dengan jumlah udara lebih banyak (excess air).
2.5. Penelitian Terdahulu
Pada sub-bab ini akan dibahas penelitian-penelitian terdahulu yang akan dijadikan dasar pertimbangan dalam analisa performa Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) UP. Gresik. 2.5.1 James A. Fay, S. Golomb, Savvakis C. Zachariades (1986)
Dalam penelitian yang berjudul “Feasibility and Cost of Converting Oil and CoalFired Utility Boilers to Intermittent Use of Natural Gas”, penelitian dilakukan dengan pengoperasian tiga macam bahan bakar boiler, yaitu Natural Gas, Oil, dan Coal.
Dari tabel di atas, dapat dilihat bahwa konsumsi udara stoichio air ratio untuk bahan bakar natural gas memiliki angka paling besar, hal ini menyebabkan udara yang disuplai oleh Force Draft Fan lebih banyak ke dalam furnace di dalam boiler. Sedangkan Force Draft Fan memiliki kapasitas tertentu dalam penyuplaian udara untuk memenuhi keadaan stokiometri pembakaran yang sempurna.
Natural gas tidak memiliki emisi SO2, kandungan sulfur dalam suatu bahan bakar sangat diperhitungkan dalam penggunaannya, semakin tinggi kandungan sulfur maka emisi polutan yang ditimbulkan dari hasil pembakaran juga akan besar nilainya. Semakin banyak emisi polutan yang dihasilkan dari pembakaran suatu bahan bakar di boiler, maka semakin membahayakan lingkungan sekitar.
Natural gas memiliki ukuran dimensi atom yang paling kecil dibanding dengan ukuran dimensi atom bahan bakar lainnya. Hal ini menyebabkan terbakarnya bahan bakar natural gas paling cepat diantara bahan bakar lainnya. Semakin cepat terbakarnya suatu bahan bakar, maka panas yang dihasilkan untuk suatu siklus pembakaran akan lebih tinggi.
2.5.2 Faizal Hafiz T. (2015)
Pada penelitiannyanya yang berjudul “Simulasi Gatecycle Pengaruh Gasifikasi Boiler dari Marine Fuel Oil menjadi Bahan Bakar Gas Terhadap Performa Pembangkit Listrik Tenaga Uap 50 MW Perak ( Studi Kasus PLTU PT. Indonesia Power Perak, Surabaya).”
Gambar 2.8 Grafik perbandingan Massa Udara pada setiap Variasi
Dari Gambar 2.8 diperoleh tren grafik flowrate udara yang disuplai oleh Force Draft Fan menuju ke dalam boiler sebagai udara yang dibutuhkan untuk memenuhi stoikiometri pembakaran. Pemvariasian dilakukan dengan tiga jenis pembebanan, yaitu pembebanan 50% dengan Nett Power Output sebesar 25 MW, 75% dengan Nett Power Output 37,5 MW, dan pembebanan 100% dengan Nett Power Output 50 MW.
Dapat dilihat tren grafik yang ada pada gambar 2.8 dimana flowrate yang harus disediakan oleh Force Draft Fan meningkat seiring peningkatan beban yang diberikan. Hal ini terjadi karena ketika penambahan beban, maka flowrate bahan bakar juga meningkat. Air Fuel Ratio dari bahan bakar Marine Fuel Oil yaitu 1 : 14,7 dan Air Fuel Ratio dari bahan bakar Bahan Bakar Gas yaitu 1 : 17,2 maka seharusnya udara yang disuplai Force Draft Fan lebih besar saat menggunakan Bahan Bakar Gas. Namun jumlah flowrate Bahan Bakar Gas yang dimasukan ke dalam boiler jauh lebih kecil dibanding flowrate bahan bakar Marine
92,593 93,594 94,595
Beban
50%
Beban
75%
Beban
100%
93,5 93,7 93,8 94,3 94,5 94,8%
Boiler Effisiensi
MFO
BBG
Fuel Oil. Sehingga udara yang disuplai oleh Force Draft Fan saat menggunakan Bahan Bakar Gaslebih kecil. Hal ini membuktikan bahwa dengan penggantian bahan bakar pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) PT. Indonesia Power Perak tidak memerlukan penggantian FD fan.
Gambar 2.9 Grafik Perbandingan Effisiensi Boiler pada Setiap Variasi
Pada gambar 2.9 dapat dilihat terdapat selisih dari effisiensi pembangkit yang dihasilkan Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) PT. Indonesia Power Perak menggunakan bahan bakar Marine Fuel Oil dan juga Bahan Bakar Gas. Dengan menggunakan Bahan Bakar Gas, effisiensi pembangkit akan lebih tinggi dibanding dengan effisiensi pembangkit menggunakan bahan bakar Marine Fuel Oil. Hal ini disebabkan karena perbedaan Low Heating Value kedua jenis bahan bakar. Dengan Low Heating Value Bahan Bakar Gas yang lebih tinggi, maka flowrate Bahan Bakar Gas akan lebih kecil untuk menghasilkan daya yang sama. Semakin kecil flowrate bahan bakar maka akan semakin kecil Heat Rate, maka effisiensi pembangkit akan lebih baik.
2.5.3 Kuprianov V.I. (2004)
Dalam penelitian yang berjudul “Application of a Cost – Based Method of Excess Air Optimization for the Improvement of The Thermal Efficiency and Environmental Performance of Steam Boilers” dilakukan oleh Kuprianov V.I. menunjukkan bahwa untuk mengetahui nilai excess air yang optimal ada dua cara, yaitu dengan metode Heat Loss dan metode cost based dengan perhitungan nilai eksternal.
Gambar 2.10 Grafik kelebihan udara terhadap biaya eksternal untuk 150 MW boiler
Thai Lignite
Berdasarkan Gambar 2.10 diatas dapat dilihat bahwa semakin besar nilai excess air ratio pada keluaran economizer, maka semakin besar pula nilai heat loss dari biaya eksternal yang terjadi. Dampak pada heat loss method lebih besar daripada analisa pada dampak biaya eksternal karena emisi polutan.
Pada penelitian ini dilakukan pada tiga macam pembakaran dengan bahan bakar dan beban yang berbeda yaitu pembakaran bahan bakar batu bara dengan beban 150 MW, pembakaran bahan bakar oil/ gas pada boiler dengan mass flowrate steam 90 T/h, pembakaran bahan bakar minyak pada beban 310 MW.
Dari ketiga macam pembakaran diketahui bahwa berkurangnya udara yang berlebih berakibat nilai q2 ( heat loss
with the waste flue gas ) menjadi lebih rendah sehingga efisiensi termal meningkat dan menghemat bahan bakar. Tetapi terlalu kurangnya pasokan udara bakar juga mengakibatkan tidak terbakarnya sebagian karbon sehingga pembakaran menjadi tak sempurna dan menghasilkan jelaga.
29
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1.
Tahapan Penelitian
Tahapan Penelitian tugas akhir ini mencakup semua
kegiatan yang dilaksanakan untuk memecahkan masalah
atau melakukan proses analisis terhadap permasalahan tugas
akhir. Berikut merupakan tahapan yang akan dilakukan
dalam penelitian ini, antara lain:
3.1.1 Identifikasi masalah
Pada tahapan awal identifikasi dilakukan pengamatan
terhadap masalah yang menjadi tujuan dari penelitian yaitu
klaim dari orang pembangkit di lapangan bahwa kebutuhan
udara dengan Bahan Bakar Gas lebih besar daripada
High
Speed Diesel.
Hal ini memungkinkan adanya
rating
pada
pembangkit tersebut. Sehingga kebutuhan udara yang
disuplai pada saat pembakaran sudah maksimum atau sudah
tidak bisa ditambah lagi. Studi literatur mempelajari bahan
pustaka yang berkaitan dengan analisis termodinamika
siklus
Rankine power plant
pada pembangkit listrik. Studi
literatur ini diperoleh dari berbagai sumber text book, salah
satunya
Fundamental of Engineering Thermodynamics
oleh
Michael J. Moran. Penulis juga memasukkan beberapa
sumber lain seperti jurnal ilmiah dan beberapa penelitian
terdahulu. Kemudian dilakukan observasi terhadap sistem
pembangkit listrik yang sudah ada yaitu pada PLTU Gresik
berdasarkan pembebanan yang beroperasi.
3.1.2 Pengambilan Data
Berdasarkan studi literatur dan observasi, dilakukan
pengambilan data design HSD dan aktual BBG PLTU Unit
2 PT.PJB UP. Gresik. Data yang dibutuhkan adalah
heat
balance
, spesifikasi tiap komponen pada PLTU unit 2
Gresik, dan data operasi PLTU Unit 2 Gresik.
3.1.3 Perhitungan
Data yang sudah diperoleh kemudian dilakukan
perhitungan berdasarkan analisa termodinamika.
3.1.4 Analisis Data
Hal-hal yang akan dianalisis adalah pengaruh variasi
bahan bakar dari
High Speed Diesel
ke Bahan Bakar Gas
terhadap
performa
pembangkit
listrik
tenaga
uap,
diantaranya
power gross output, heat rate,
massa udara,
massa bahan bakar, dan effisiensi pembangkit.
3.1.5 Tahap pengambilan kesimpulan
Tahap
ini
merupakan
akhir
dari
analisis
termodinamika dengan menarik kesimpulan yang didapat
berupa
power gross output, heat rate,
massa udara, massa
bahan bakar, dan effisiensi pembangkit pada setiap
pembebanan.
3.2 Analisa Perhitungan Performa Pembangkit Listrik
Tenaga Uap
Dalam penelitian ini, untuk menganalisa performa
pembangkit, dapat digunakan metode analisa secara
termodinamika. Untuk mendapatkan efisiensi siklus,
konsumsi bahan bakar dan
heat rate
pada kondisi aktual
dan pemodelan dilakukan langkah perhitungan sebagai
berikut:
1.
Menghitung panas yang diberikan pada boiler
̇boiler=
ṁ ( h
out- h
in)
2.
Menghitung efisiensi siklus pembangkit
η
plant=
3.
Menghitung konsumsi / laju massa udara
ṁ
udara
= ṁ
fuelx A/F
4.
Menghitung
heat rate
HR
=
5.
Menghitung
Gross Power / Power Steam Turbine
Power Steam Turbine
= ṁ
2(h
2-h
21) + (ṁ
2-ṁ
21)
(h
21-h
18) + (ṁ
2-ṁ
21-m
18)(h
18-h
17) +
(ṁ
2-ṁ
21-m
18-m
17)(h
17-h
14) +
(ṁ
2-ṁ
21-m
18-m
17-m
14)(h
14-h
11) +
3.2.1
Flowchart Perhitungan
START
ṁ ( laju aliran massa)
T ( temperatur)
P ( pressure)
H ( entalpi)
Perhitungan konsumsi / laju
massa udara
ṁ
udara𝑘𝑔
𝑟
= ṁ
fuelx A/F
A
Mengumpulkan properties data pada setiap
pembebanan operasi pembangkit pada beban
50%, 75%, dan 100%
Perhitungan panas yang diberikan
pada boiler
Perhitungan heat rate
HR
=
Perhitungan efisiensi siklus pembangkit
η
plant=
𝑃𝑜𝑤𝑒𝑟 𝑆𝑡𝑒𝑎𝑚 𝑇𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑒
𝑏𝑎 𝑎𝑛 𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟 𝑥 𝐿𝐻𝑉𝑏𝑎 𝑎𝑛 𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟
𝑥
Perhitungan
Gross Power/Power Steam Turbine
Power Steam Turbine
= ṁ
2(h
2-h
21) + (ṁ
2-ṁ
21)(h
21-h
18) +
(ṁ
2-ṁ
21-m
18)
(h
18-h
17) +
(ṁ
2-ṁ
21-m
18-m
17)(h
17-h
14)+
(ṁ
2-ṁ
21-m
18-m
17-m
14)(h
14-h
11) +
(ṁ
2-ṁ
21-m
18-m
17-m
14-m
11)(h
11-h
3)
A
B
Hasil perhitungan:
Massa Bahan Bakar
Massa Udara
Heat Rate
Gross Power/ Power Steam
Turbine
Effisiensi plant pembangkit
END
B
35
Analisa data yang digunakan pada penelitian ini menggunakan data laporan analisa dari berbagai supplier gas diantaranya: PERTAGAS area Jawa bagian timur, PT.Pertamina Hulu Energi WMO, Hess (Indonesia – Pangkah) LTD dan data operasi dari PLTU Unit 2 PT.PJB UP. Gresik.
4.1 Data Analisis Kandungan Bahan Bakar Gas
Untuk mengetahui jumlah massa udara pembakaran yang dibutuhkan dan di supply, dilakukan penyamaan reaksi secara stoikiometri dari komponen senyawa yang terkandung dalam bahan bakar Gas dan nilai rumus kimia dari Diesel Fuel. Berikut merupakan data komponen gas dari berbagai supplier gas dan tabel formula bahan bakar diesel dari buku An Introduction to Combustion.
Tabel 4.1 Gas analysis report PT.PERTAMINA GAS AREA JAWA BAGIAN TIMUR (PERTAGAS AREA JBT)
Komponen Mole Fraksi
Methane 98.728 Ethane 0.433 Propane 0.172 N-Butane 0.015 I-Butane 0.040 N-Pentane 0.008 I-Pentane 0.016 C6+ 0.010 Nitrogen 0.361 CO2 0.206
Tabel 4.2 Gas analysis report SKK MIGAS – PT PERTAMINA HULU ENERGI WMO
Komponen Mole Fraksi
Methane 85.5245 Ethane 6.4648 Propane 3.8373 I-Butane 0.8575 N-Butane 1.0132 I-Pentane 0.3306 N-Pentane 0.2292 Hexane(+) 0.4191 Nitrogen 0.8958 CO2 0.4280
Tabel 4.3 Gas analysis report HESS ( INDONESIA–PANGKAH ) LTD
Komponen Mole Fraksi
Methane 87.5799 Ethane 5.8309 Propane 1.8011 I-Butane 0.0308 N-Butane 0.0638 I-Pentane 0.0000
N-Pentane 0.0010
C6+ 0.0001
Nitrogen 2.1623
CO2 2.5301
4.2 Data Analisis Bahan Bakar High Speed Diesel (HSD) Tabel 4.4 Fuel Specific Heat and Enthalpy
Formula Fuel Molar Weight
C10.8H18.7 Diesel 148.6
(Sumber: buku An Introduction to Combustion Appendix B Fuel Properties hal. 648)
4.3 Analisis Termodinamika
Dalam penelitian tugas akhir ini dilakukan analisa termodinamika dengan memvariasikan bahan bakar dan beban pada pembangkit listrik tenaga uap. Data yang digunakan pada penelitian ini berdasarkan dengan heat balance PLTU dan literatur dari beberapa tugas akhir. Grafik dibawah merupakan heat balance pada PLTU Unit 2PT.PJB UP. Gresik dalam keadaan beban 100%. T-s diagram dibawah digunakan untuk analisis perhitungan dalam termodinamika.
Gambar 4.2 T-s diagram PLTU Unit 2 PT. PJB UP Gresik Data didapat dari heat balance PLTU:
hkeluar boiler (2) 3425,52 kJ/kg hekstraksi 4 (14) 2732,94 kJ/kg hekstraksi 1(21) 3201,66 kJ/kg hekstraksi 5(11) 2559,9 kJ/kg hekstraksi 2 (18) 3077,34 kJ/kg hmasuk kondensor (3) 2284,38 kJ/kg hekstraksi 3 (17) 2959,74 kJ/kg hmasuk boiler (1) 1000,44 kJ/kg
4.3.1 Perhitungan LHV dan AF bahan bakar LHV Bahan Bakar HSD
LHV (Low Heating Value) dari bahan bakar HSD (High Speed Diesel) didapat dari data Fuels Higher Calorific Values (www.eisco.co/burner) dengan nilai LHV 43400kJ/kg.
LHV Bahan Bakar Gas
Dalam penelitian ini dilakukan perhitungan LHV dari bahan bakar Gas. Sistem satuan yang digunakan dalam penelitian
ini adalah Satuan Internasional (SI). Berikut ini merupakan tabel hasil perhitungan dari LHV(Low Heating Value) bahan bakar gas.
Tabel 4.5 Hasil Perhitungan Low Heating Value Pertamina WMO
No Komponen Fraksi Mol LHV
(Kj/kg) LHV x Mol (Kj/kg) 1 CH4 0,855245 55528 47490,04436 2 C2H6 0,064648 51901 3355,295848 3 C3H8 0,038373 48936 1877,821128 4 C4H8 0,008575 48471 415,638825 5 C4H10 0,010132 49546 502,000072 6 C5H10 0,003306 48152 159,190512 7 C5H12 0,002292 49032 112,381344 8 C6H14 0,004191 48696 204,084936 Total 54116,45703
Tabel 4.6 Hasil Perhitungan Low Heating Value Hess
No Komponen Fraksi Mol LHV
(Kj/kg) LHV x Mol (Kj/kg) 1 CH4 0,875799 55528 48631,367 2 C2H6 0,058309 51901 3026,2954 3 C3H8 0,018011 48936 881,3863 4 C4H8 0,000308 48471 14,929068 5 C4H10 0,000638 49546 31,610348 6 C5H10 0 48152 0 7 C5H12 0,00001 49032 0,49032 8 C6H14 0,000001 48696 0,048696 Total 52586,127
Tabel 4.7 Hasil Perhitungan Low Heating Value Pertagas Area JBT
No Komponen Fraksi Mol LHV
(Kj/kg) LHV x Mol (Kj/kg) 1 CH4 0,98728 55528 54821,6838 2 C2H6 0,00433 51901 224,73133 3 C3H8 0,00172 48936 84,16992 4 C4H8 0,00015 48471 7,27065 5 C4H10 0,0004 49546 19,8184 6 C5H10 0,00008 48152 3,85216 7 C5H12 0,00016 49032 7,84512 8 C6H14 0,0001 48696 4,8696 Total C4H10
Untuk mendapatkan nilai LHV dari masing-masing supplier, didapatkan hasil sebagai berikut:
Tabel 4.8 Tabel Hasil Perhitungan LHV(Low Heating Value) Gabungan Supplier Gas supply (%) Low Heating Value (kJ/kg) Total LHV (kJ/kg) Pertamina WMO 30 54116,45 16234,935 HESS 35 52586,127 18405,144 PERTAGAS 35 55174,241 19310,984 Total LHV gabungan (kJ/kg) 53951,063
Air Fuel Ratio stoikiometri Bahan Bakar High Speed Diesel
Dalam melakukan perhitungan nilai AFR dari bahan bakar High Speed Diesel diambil rumus kimia dari bahan bakar High
Speed Diesel yaitu C10,8H18,7. Dengan demikian persamaan kimia menjadi:
C10,8H18,7 + a(O2 + 3,76N2) b CO2 + c H2O + d N2 Dengan menerapkan konservasi massa terhadap karbon, hidrogen, dan oksigen, dan nitrogen secara berturut-turut
C : 10,8 = b H : 18,7 = 2c c = 9,35 O : 2a = 2b + c = 2(10,8) + 9,35 a = 15,475 N : 2a x 3,76 = 2 x 3,76 x d 15,475 = d
Persamaan setimbangnya adalah
C10,8H18,7 + 15,475(O2 + 3,76N2) 10,8 CO2 + 9,35 H2O + 15,475 (3,76)N2 AF = x = AF = 73,661 = 14,33
Air Fuel Ratio stoikiometri Bahan Bakar Gas
Berikut merupakan hasil perhitungan nilai Air Fuel Ratio gabungan: {(0,855245 CH4 + 0,064648 C2H6 + 0,038373 C3H8 + 0,008575 C4H8 + 0,010132 C4H10 + 0,003306 C5H10 + 0,002292 C5H12 + 0,004191C6H14 + 0,008958 N2 + 0,00428 CO2)]} + {(0,875799 CH4 + 0,058309 C2H6 + 0,018011 C3H8 + 0,000308 C4H8 + 0,000638 C4H10 + 0 C5H10 + 0,00001 C5H12 + 0,000001 C6H14 + 0,021623 N2 + 0,025301 CO2)} + {(0,98728 CH4 + 0,00433 C2H6 + 0,00172 C3H8 + 0,0004 C4H8 + 0,00015 C4H10 +
0,00016 C5H10 + 0,00008 C5H12 + 0,0001C6H14 + 0,00361 N2 + 0,00206 CO2)} + a (O2 + 3,76N2) b CO2 + c H2O + d N2 C :{(0,855245 + 2 x 0,064648 + 3 x 0,038373 + 4 x 0,008575 + 4 x 0,010132 + 5 x 0,003306 + 5 x 0,002292 + 6 x 0,004191 + 0,00428)} + {(0,875799 + 2 x 0,058309 + 3 x 0,018011 + 4 x 0,000308 + 4 x 0,000638 + 5 x 0 + 5 x 0,00001 + 6 x 0,000001+ 0,025301)} + {(0,98728 + 2 x 0,00433 + 3 x 0,00172 + 4 x 0,0004 + 4 x 0,00015 + 5 x 0,00016 + 5 x 0,00008 + 6 x 0,0001 + 0,00206)} = b 3,3 = b H :{(4 x 0,85 + 6 x 0,064648 + 8 x 0,038373 + 8 x 0,008575 + 10 x 0,010132 + 10 x 0,003306 + 12 x 0,002292 + 14 x 0,004191)} + {(4 x 0,875799 + 6 x 0,058309 + 8 x 0,018011 + 8 x 0,000308 + 10 x 0,000638 + 10 x 0 + 12 x 0,00001 + 14 x 0,000001)} + {(0,98728 + 2 x 0,00433 + 3 x 0,00172 + 4 x 0,0004 + 4 x 0,00015 + 5 x 0,00016 + 5 x 0,00008 + 6 x 0,0001 + 0,00206)} = 2c 6,195 = c O : {(2 x 0,00428) + (2 x 0,025301) + (2 x 0,00206)} + ( 2 x a ) = 2b + c 2a = 2(3,3) + (6,195) a = 6,365 N : {(2 x 0,008958) + (2 x 0,021623) + (2 x 0,00361)} + (3,76 x 2 x 6,365) = 2 x d 47,93 = 2d d = 23,965 Persamaan setimbangnya menjadi:
{(0,855245 CH4 + 0,064648 C2H6 + 0,038373 C3H8 + 0,008575 C4H8 + 0,010132 C4H10 + 0,003306 C5H10 + 0,002292 C5H12 + 0,004191C6H14 + 0,008958 N2 + 0,00428 CO2)]} + {(0,875799 CH4 + 0,058309 C2H6 + 0,018011 C3H8 + 0,000308 C4H8 + 0,000638 C4H10 + 0 C5H10 + 0,00001 C5H12 + 0,000001 C6H14 + 0,021623 N2 + 0,025301 CO2)} +
{(0,98728 CH4 + 0,00433 C2H6 + 0,00172 C3H8 + 0,0004 C4H8 + 0,00015 C4H10 + 0,00016 C5H10 + 0,00008 C5H12 + 0,0001C6H14 + 0,00361 N2 + 0,00206 CO2)} + 6,365 (O2 + 3,76N2) 3,3 CO2 + 6,195 H2O + 23,965 N2 AF = x =
Jumlah total Berat Molekul Komposisi gas adalah sebesar 54,14 AF = 30,29
= 16,14
4.3.2 Analisa Penambahan Excess Air pada Bahan Bakar Air Fuel Ratio Bahan Bakar High Speed Diesel
Dalam melakukan perhitungan nilai AFR dari bahan bakar High Speed Diesel diambil rumus kimia dari bahan bakar High Speed Diesel yaitu C10,8H18,7 dan penambahan excess air sebesar 110% Dengan demikian persamaan kimia menjadi:
C10,8H18,7 + (1,1)( 15,475) (O2 + 3,76N2) b CO2 + c H2O + d N2 + e O2
Dengan menerapkan konservasi massa terhadap karbon, hidrogen, dan oksigen, dan nitrogen secara berturut-turut
C : 10,8 = b H : 18,7 = 2c c = 9,35 O : (1,1)( 15,475)(2) = 2b + c + 2e 34,045 = 2(10,8) + (9,35) + 2e e = 1,54 N : 2 x 3,76 x 1,1 x 15,475 = 2 x d d = 64
Persamaan setimbangnya adalah C10,8H18,7+(1,1)( 15,475)(O2 + 3,76N2) 10,8CO2 + 9,35H2 -O + 64N2 + 1,54 O2 AF = x = AF = 81,027 = 15,76
Air Fuel Ratio Bahan Bakar Gas
Berikut merupakan hasil perhitungan nilai Air Fuel Ratio dari bahan bakar gas dengan penambahan excess air 110%. {(0,855245 CH4 + 0,064648 C2H6 + 0,038373 C3H8 + 0,008575 C4H8 + 0,010132 C4H10 + 0,003306 C5H10 + 0,002292 C5H12 + 0,004191C6H14 + 0,008958 N2 + 0,00428 CO2)]} +{(0,875799 CH4 + 0,058309 C2H6 + 0,018011 C3H8 + 0,000308 C4H8 + 0,000638 C4H10 + 0 C5H10 + 0,00001 C5H12 + 0,000001C6H14 + 0,021623 N2 + 0,025301 CO2)} + {(0,98728 CH4 + 0,00433 C2H6 + 0,00172 C3H8 + 0,0004 C4H8 + 0,00015 C4H10 + 0,00016 C5H10 + 0,00008 C5H12 + 0,0001C6H14 + 0,00361 N2 + 0,00206 CO2)} + (1,1) (6,365) (O2 + 3,76N2) b CO2 + c H2O + d N2 + e O2 C :{(0,855245 + 2x0,064648 + 3 x 0,038373 + 4 x 0,008575 + 4 x 0,010132 + 5x0,003306 + 5 x 0,002292 + 6 x 0,004191 + 0,00428)} + {(0,875799 + 2 x 0,058309 + 3 x 0,018011 + 4 x 0,000308 + 4 x 0,000638 + 5x0 + 5 x 0,00001 + 6 x 0,000001 + 0,025301)} + {(0,98728 + 2 x 0,00433 + 3 x 0,00172 + 4 x 0,0004 + 4 x 0,00015 + 5x0,00016 + 5 x 0,00008 + 6 x 0,0001 + 0,00206)} = b 3,3 = b H :{(4x0,85 + 6 x 0,064648 + 8 x 0,038373 + 8 x 0,008575 + 10 x 0,010132 + 10x0,003306 + 12 x 0,002292 + 14 x
0,004191)} + {(4x0,875799 + 6 x 0,058309 + 8 x 0,018011 + 8 x 0,000308 + 10 x 0,000638 + 10 x 0 + 12 x 0,00001 + 14 x 0,000001)} + {(0,98728 + 2 x 0,00433 + 3 x 0,00172 + 4 x 0,0004 + 4 x 0,00015 + 5 x 0,00016 + 5 x 0,00008 + 6 x 0,0001 + 0,00206)} = 2c 6,195 = c O : {(2 x 0,00428) + (2 x 0,025301) + (2 x 0,00206)} + ( 2 x 1,1 x 6,365) = 2b + C + 2e 14,006282 = 2(3,3) + (6,195) + 2e e = 0,665 N : {(2x0,008958) + (2x0,021623) + (2x0,00361)} + (3,76x2x1,1x6,365) = 2xd 52,71 = 2d d = 26,35 Persamaan kimianya menjadi:
{(0,855245 CH4 + 0,064648 C2H6 + 0,038373 C3H8 + 0,008575 C4H8 + 0,010132 C4H10 + 0,003306 C5H10 + 0,002292 C5H12 + 0,004191C6H14 + 0,008958 N2 + 0,00428 CO2)]} + {(0,875799 CH4 + 0,058309 C2H6 + 0,018011 C3H8 + 0,000308 C4H8 + 0,000638 C4H10 + 0 C5H10 + 0,00001 C5H12 + 0,000001 C6H14 + 0,021623 N2 + 0,025301 CO2)} + {(0,98728 CH4 + 0,00433 C2H6 + 0,00172 C3H8 + 0,0004 C4H8 + 0,00015 C4H10 + 0,00016 C5H10 + 0,00008 C5H12 + 0,0001C6H14 + 0,00361 N2 + 0,00206 CO2)} + (1,1) (6,365) (O2 + 3,76N2) 3,3 CO2 + 6,195 H2O + 26,35 N2 + 0,665O2 AF = x = = 33,33
